燃氣熱水鍋爐供熱系統節能減排措施及效果探究

張佳敏

(太原市熱力集團有限責任公司,山西 太原 030032)

近年來,國內經濟建設迅速發展,鍋爐設備已廣泛應用于現代工業各生產、生活領域,成為發展國民經濟的重要熱工設備。隨著我國工業現代化和城鎮化快速推進,油氣資源開發力度在持續擴大,燃氣鍋爐的投產比例呈現日益擴張態勢,在國家倡行節能降耗、環保減排工作要求前提下,可通過調整產業結構和采取必要的節能減排措施來提高清潔能源利用效率,優化產能途徑,實現供熱可持續環保型發展。

1 合理調整運行方式

1.1 基于最優空燃比運行,優化燃燒效果

在開放的環境下,隨著室外溫度的變化,氣壓隨之發生變化,從而導致空氣密度發生變化,室外溫度與空氣密度對照表見表1。室外溫度升高,氣壓減小,空氣密度減小;室外溫度降低,氣壓增大,空氣密度增大,一定體積空氣中的含氧量則會不同。燃料燃燒本質上是燃料與空氣中的氧氣發生化學反應,因此室外溫度階段性幅差變化勢必導致支持燃燒的空燃比發生變化,偏離最佳運行工況的空燃比將誘使鍋爐實際運行熱效率下降,能耗增加,煙氣排放超標等情況。

表1 室外溫度與干空氣密度對照表

任何地方氣壓都在隨著時間的變化而改變,既包含周期性變化,也包含非周期性變化,所謂周期性變化是指氣壓隨時間的改變而呈現規律性波動,晝夜之內的日變化情況,最高值出現在上午9點—10點,之后氣壓開始下降,到下午15點—16點出現一天中氣壓的最低值,之后氣壓又開始緩慢上升,到晚上21點—22點再現一天中氣壓的次高值,次日凌晨3點—4點則出現次低值;所謂非周期性變化是指氣壓變化受氣象驟變影響,不存在固定的周期。實際的氣壓變化是兩種變化因素綜合作用的結果。以熱負荷與最優含氧量曲線為標準,見圖1,通過綜合考慮室外氣溫、氣壓、空氣濕度、火焰穩定情況、煙氣含氧量、煙氣NOx含量、鍋爐效率等因素,根據屬地冬季嚴寒期一天中室外氣溫及氣壓波動規律,擬定四套各負荷段位空燃比參數設置數據庫方案并編入BMS控制系統程序,基于煙氣含氧量均維持最優狀態,實現不停爐安全自動互切。

通過運行期間高效負荷段位分時段切換及實時工況和能耗比對分析,見表2,求證此運行方式可一定程度提高鍋爐運行熱效率,達到節能降耗、優化排放的目的。

表2 定值空燃比與最優空燃比運行實時工況及能耗比對分析表

1.2 合理分配鍋爐及配套輔機系統出力,靶向節能降耗

泵的揚程H是指單位重量流體通過泵所獲得的有效能量,在單位時間內通過泵的流體所獲得的總能量叫有效功率,以符號Ne(kW)表示,Ne=γQH/1 000,而風機的全壓P是指單位體積氣體通過風機所獲得的有效能量,所以其Ne=QP/1 000,其中,γ為被輸送流體的容重,N/m3;Q為流量,m3/s;H為揚程,m;P為壓頭,N/m2。

泵或風機的性能參數都是針對某一特定轉速nm來說的,當實際運行轉速n與nm不同時,可用相似律求出新的性能參數。相似律可表達為Q/Qm=n/nm,H/Hm=(n/nm)2,N/Nm=(n/nm)3,通過公式可直觀體現出采取加大泵或風機轉速n來提高流量的同時,原動機所需功率與轉數成三次方比例陡增。

當鍋爐“低負荷”運行時,消耗的燃氣量減少,爐內溫度相對較低,由此導致燃燒工況變差,加大了氣體不完全燃燒熱損失,鍋爐熱效率將下降;同樣,當鍋爐“超高負荷”運行時,消耗的燃氣量增多,導致爐內溫度升高,排煙溫度隨之升高,加大了排煙熱損失,鍋爐熱效率亦將受到影響。同樣的熱量產送能力,在確保單臺鍋爐處于高熱效率負荷區間運行工況下,鍋爐擬定運行臺數與配套輔機設備電耗大小關系頗大,N臺鍋爐“中高負荷”高效運行比N-1臺鍋爐“高負荷”高效運行配套輔機設備節電量甚為可觀。以某燃氣調峰熱源廠采暖季運行實際為例分析,該熱源廠供熱系統單臺燃氣熱水鍋爐額定熱功率116 MW,配套鼓風機設備參數為Q=190 000 m3/h,P=10 000 Pa,N=800 kW,水系統循環泵設備參數為Q=1 900 m3/h,H=80 m,N=630 kW,嚴寒期調峰供熱期間,外網供熱面積不變時,根據室外溫度階段性變化規律,在滿足轄區熱用戶熱量需求,且室溫達標,體感舒適前提下,擇取3個不同室外溫度節點進行比對分析研判,在鍋爐總產熱量接近的運行狀態下,4臺鍋爐“中高負荷”運行比3臺鍋爐“高負荷”運行大功率輔機設備耗電量少,3臺鍋爐“中高負荷”運行比2臺鍋爐“高負荷”運行大功率輔機設備耗電量少,且單臺鍋爐均處高效區,具體運行工況及能耗數據統計見表3[1]。

表3 鍋爐輔機設備運行電量節超分析統計表

因燃氣熱水鍋爐爐膛輻射受熱面為致密排布的膜式水冷壁圍護結構,阻抗偏大,為有效匹配沿程及局部阻力損失,防止局部氣化造成爆管停爐事故,循環系統提供流量須滿足單臺鍋爐接近額定流量運行,為此得出結論,在鼓風機有效功耗高于循環泵有效功耗前提下,鼓風機節約電量整體高于循環泵超耗電量,節超分析利于節能降耗,且單臺鍋爐運行更穩定、安全。

2 冷凝水余熱回收利用

2.1 冷凝水的生成及危害

燃氣鍋爐以天然氣為燃料助燃,其主要成分為甲烷,占天然氣體積百分比90%以上,另含有少量的乙烷、丙烷和非烴類氣體等,甲烷與空氣中的O2反應生成CO2和H2O,天然氣燃燒產物煙氣中主要成分為CO2,N2,H2O和過剩O2,同時還含有NOx,CO,SO2等其他氣體。另外天然氣和助燃空氣中也含有一定的水分,所以煙氣中的水分由兩部分構成,一部分由化學反應生成,占冷凝水的絕大部分,另一部分由天然氣和助燃空氣帶入。

煙氣露點指的是煙氣中水蒸氣開始凝結時的溫度,低于露點溫度水蒸氣即冷凝成水,且冷凝水的形成取決于氣流截面溫度及流態分布,正常情況下,煙氣流經受熱面對流管束和煙道時,芯流溫度最高,管壁或煙道壁面溫度最低,冷凝水最先貼壁產生,當芯流溫度低于露點時,氣流截面將均出現冷凝。在燃氣鍋爐實際運行中,鍋爐本體煙窗出口煙氣溫度高于水蒸氣的露點溫度,煙氣中的水蒸氣主要在受熱面對流管束尾部及節能器中冷凝成水[2-3]。

冷凝水產生后應及時排放或深度處理回收利用,若疏水不暢,冷凝水在煙道局部結構長期積聚,極易因酸腐蝕和電化學析氫、吸氧腐蝕而導致受熱面壁厚減薄、強度減弱,生成的腐蝕產物Fe2O3(俗稱鐵銹)和Fe3O4(俗稱磁性氧化鐵)沉淀,久之將造成對流煙管堵塞,從而弱化煙氣流通截面積,增加煙氣流通沿程阻力,進而增加鼓風機運轉動力電耗。且冷凝水在煙道積聚,若因煙道施焊不連續或減震補償軟連接密封不嚴,可能會滲透進保溫材料中,保溫材料長期浸透冷凝水會加速其老化變形,保溫效果勢必減弱,進而導致鍋爐煙風系統散熱損失增加。

2.2 冷凝水的深度處理回收利用

運行期間冷凝水的產生是不可避免的,偏酸屬性的冷凝水若直接排入市政污水管道,其攜帶的熱量不僅未被有效利用而損失,同時也造成了水資源的無端浪費及污水水質的進一步惡化,然而經過冷凝水回收利用處理系統深度處理(耐腐蝕潛污泵提升回收→石英砂過濾器除砂過濾→氨水、環己胺等堿化劑pH調節→冷凝水箱曝氣裝置處理→增壓泵增壓→錳砂過濾器截留吸附、除鐵除錳,異色、異味處理→軟化罐鈣、鎂離子去除軟化處理)水質達標后,可直接補充熱網水量損失,且冷凝水水溫明顯高于正常市政自來水經軟化處理后的軟水水溫,接近于熱網循環回水溫度,依Q=cmΔt(其中,c為水的比熱容,J/(kg·℃);m為冷凝水質量,kg;Δt為不同水源補水溫差,℃),由此溫差換得熱量后,可一定程度減少回水經爐膛膜式水冷壁輻射及對流筒對流換熱常規熱量需求,有效節余天然氣耗量。采暖季某燃氣調峰熱源廠經周期性數據采集,核算統計情況見表4,表5。

表4 冷凝水深度處理回收利用氣、水節能核算統計表

表5 冷凝水深度處理回收利用電、鹽能耗核算統計表

燃氣公司提供天然氣組分色譜分析記錄表燃氣低位發熱量為8 168.53 kcal/Nm3,由于煙氣排放前,燃燒產物中的水蒸氣部分已在鍋爐對流筒尾部及節能器中形成冷凝,考慮潛熱釋放,設定負荷段燃氣發熱量均按8 413.59 kcal/Nm3計。

冷凝水深度處理回收利用既節約了水資源也捕獲了其自身攜帶的熱量,相較處理系統設備能耗情況,總體節能效益甚為可觀。但由于熱網補水時間不呈規律性,經深度處理的冷凝水送入軟化水箱部分時段可能處于靜置狀態,勢必存在溫降,其蓄積的熱量利用率不免打折;再則,冷凝水屬蒸餾水,其溶解性總固體含量很低,而鍋爐水質溶解性總固體含量越高排污頻次也越高,由此可見,利用冷凝水為熱網補水可以有效減少鍋爐排污頻次,一定意義上也可節省鍋爐系統燃氣及水的耗量[4-5]。

3 燃燒器降低NOx排放升級改造

供熱行業燃氣鍋爐市場普遍應用的燃燒器是把燃料和空氣以一定空燃配比及流速噴入爐內,使其在爐內進行良好的混合以保證燃料及時著火和迅速完全地燃燒,在配合啟動煙氣外循環系統FGR工況條件下,燃燒產物煙氣中NOx排放含量亦在30 mg/Nm3以上,雖達到屬地燃氣鍋爐NOx排放不大于50 mg/Nm3標準,但運行期間受大氣環境污染適控指標強制性要求,部分階段須配合環保監管部門政治任務執行30 mg/Nm3以下NOx排放,在安全范圍內適度越限調控外循環煙氣比率,折損鍋爐出力前提下也難以滿足超低氮排放要求,環保減排很大程度上受限。

某燃氣調峰熱源廠鍋爐升級改造選配美國柘科FreeJet超低NOx排放燃燒器,該設計帶有燃燒煙氣自由射流和分級燃燒技術,可以在不使用煙氣外循環系統的情況下達到超低NOx排放。燃燒器爐膛內部由中心燃氣槍CFG,FreeJet燃氣集環和分級燃料FreeJet燃氣集環三級火焰支持燃燒,中心燃氣槍導管連接并通過可產生低漩渦的旋流器,旋葉設計有CFG噴嘴孔,使得初級燃燒穩定而可靠,由于中心燃氣槍處于助燃空氣氣流的中心,過剩空氣富氧環境一定程度冷卻了中心火焰,低負荷燃燒時可有效降低熱力型NOx產生;FreeJet一級和二級燃氣集環在標準燃料噴射技術基礎上定向升級改造后,其特殊噴嘴設計有效利用流體力學燃料氣體降壓增速的射流能量,使得燃料在噴出燃料孔時獲得較大的動量,通過文丘里結構原理局部負壓帶吸入燃燒產物CO2惰性氣體稀釋燃氣,誘使爐膛內部FIR自身煙氣內循環,從而降低燃料低位熱值,燃氣在沒有完全燃燒前夾帶煙氣預混噴入爐膛,產生一個燃料低氧區域,在該區域火焰表面氧濃度被稀釋,燃料進行一次低氧燃燒熱能釋放,降低燃燒火焰溫度,熱力型NOx產生能力隨之降低,二次冷富氧燃燒時冷卻一次燃燒烴類化合物溫度,在富氧冷態環境中燃燒速率和燃燒溫度有效降低,亦可降低NOx生成,且優化控制火焰尺寸,滿足鍋爐爐膛結構苛刻設計要求,從燃燒器升級改造中實現貧氧一次燃燒和冷富氧二次燃燒控制熱轉換NOx生成理念[6-7]。

該FreeJet燃燒器設計采用高度惰性氣體(煙氣混合物)和高溫爐膛環境來穩定燃燒火焰,在位于耐火磚分層突出部位低壓區域,當火焰穩定時,燃燒工況也是穩定的,燃燒過程中耐火磚蓄積儲存熱量,從而保證火焰持續穩定。燃燒前,爐膛通常沒有燃料僅積聚常態空氣,氧量體積占比約21%,運行過程中爐膛含氧量一般維持2%～3%,為確保燃燒器從氧量約21%啟動階段安全平穩過渡到2%～3%中、高負荷高效運行階段,燃燒器結構件設計有穩定作用的凸起部位,既能夠保證燃料自射流和低氧預燃功能,又能夠保證燃料燃燒的穩定性,且在無需獨立煙氣外循環系統FGR支持低氮排放,煙氣含氧量基于3%運行工況下,NOx排放值可長期低于30 mg/Nm3,通過運行期間持續觀測及數據收集整理、分析比對研判,實際印證燃氣鍋爐煙氣排放連續在線監測反饋NOx排放值基本維持在25 mg/Nm3左右,在實現超低氮排放的同時,也根本上節余了煙氣外循環風機動力電耗并能有效防止助燃空氣中外煙氣循環后水霧和助燃空氣過飽和度的出現,凸顯出節能減排的重要性[8-9]。

4 結語

節能減排是新形勢下深入貫徹落實科學發展觀的必然要求,是建設資源節約型、環境友好型社會的關鍵舉措,現如今,我國經濟增長速度雖勢如破竹,但粗放型增長模式尚未根本改變,經濟增長的同時附帶著很大的弊病代價付出,有限的資源和脆弱的自然環境已經成為制約社會良性發展的瓶頸,靠大量消耗資源和惡化環境來維持經濟快速增長的模式已然難以為繼,我們必須增強憂患和危機意識,本著對未來可持續發展高度負責的態度,深刻認識節能減排工作的重要性,切實狠抓落實,力求長期見效。